28 Ontwerpen met textielgevormde constructies Inzet textielmallen blijkt effectief bij vervaardiging complexe vormen Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016 29 Het aantal ontwerpen met een bijzondere geometrie neemt hand over hand toe. Denk bijvoorbeeld aan complex gevormde projecten als de Disney Concert Hall in Los Angeles uit het begin van deze eeuw, of iets recenter het Heydar Aliyev Center in Baku. Dergelijke projecten brengen grote uitdagingen in maakbaarheid met zich mee. Textielmallen kunnen uitkomst bieden. De ontwikkelingen op het gebied van software maken het ontwerpen van complexe vormen steeds toegankelijker. De onderliggende constructies van deze sculpturen zijn echter nog wel eens onderhevig aan de nodige kritiek. Achter de façades schuilen grote hoeveelheden materiaal, wat in schril contrast staat met de beoogde elegantie van het ontwerp. De vraag is dus hoe deze constructieve vormen elegant kunnen worden verwezenlijkt. 1 Diederik Veenendaal Block Research Group, ETH Zürich 1 Stadion Norfolk Scope - Pier Luigi Nervi foto: David Kirsch 2 Magazzini Generali door Robert Maillart, 1925, Zwitserland foto: Chriusha (?????)3 Pier Luigi Nervi Geschiedenis Complexe vormen zijn niet nieuw. Al vóór het tijdperk van de computer waren er grootmeesters die op harmonieuze wijze vorm, constructie en maakbaarheid konden combineren. Zo maakte Pier Luigi Nervi (foto 3) gebruik van krachtenpaden (lijnen waarin hoofdspanningen naar de opleggingen als het ware toestromen) om ribpatronen in zijn vloer-, gewelf- en schaalconstructies te bepalen (foto 2). Robert Maillart paste grafostatica ? een methode om vlakke statische problemen grafisch op te lossen op basis van handmatige tekeningen ? toe om zijn bruggen en liggers efficiënt te houden (foto 3). Antoni Gaudi en Heinz Isler gebruikten hangmodellen voor hun ontwer - pen, die onder het eigen gewicht tot hun vorm kwamen (foto 4, 5). Zodoende zouden deze modellen omgekeerd puur onder druk, in evenwicht, en zonder buiging werken; een praktijk die ook wel 'form-finding' wordt genoemd. 1 1 Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016 30 Funicular floor system De in dit artikel genoemde methoden, krachtenpaden, grafostatica en form-finding komen samen in een nieuw betonnen vloersysteem: een vloer met een onderzijde in gewelfvorm en daarbovenop een ribpa - troon (foto 8). Het systeem is voorgesteld en ontwikkeld door de Block Research Group aan de technische universiteit ETH Zürich in Zwitser - land. In een geautomatiseerd ontwerpproces worden het ribpatroon en het gewelf bepaald door zelfontwikkelde, numerieke, driedimensionale versies van grafostatica en form-finding. Tot slot worden de dikten bepaald door middel van eindige-elementenanalyses op basis van standaardvloerbelastingen (SAP2000 en ANSYS). Het resultaat is een, in principe, ongewapende vloer met externe trekstangen tussen de vier opleggingen. In tegenstelling tot ESO of genetische algoritmen is de geometrie niet de uitkomst van een black box, maar een proces waarin de ontwerper helder inzicht heeft en in feite heeft ontworpen met het interne krach - tenspel. Voor een eerste prototype is een staalvezelversterkt, zelfverdichtend beton gebruikt. Hierbij zijn de vezels bedoeld om scheurvorming te beperken en belastingen gedurende transport te ondervangen. Het systeem bespaart 70% gewicht in beton ten opzichte van conventionele betonnen vloerpla - ten, en kent dikten van 20 mm voor zowel gewelf als ribben. Het gewelf heeft de ideale vorm om het eigen gewicht te dragen, terwijl de ribben asymmetrische, veranderlijke belastingen voor hun rekening nemen. Dit vloersysteem, het zogenoemde 'funicular floor system', wordt volgend jaar toegepast in het experimentele gebouw NEST HiLo in Dübendorf (Zwitserland). Tot en met 27 november 2016 zijn twee nieuwere prototy - pen, waarvan één zoals hier beschreven en één 3D geprint, te bezichtigen in Venetië bij de Architectuur Biennale. 6 5 Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016 31 4 Deitingen Süd Raststätte door Heinz Isler, 1968, Zwitserland foto: Chriusha (?????)5 Hangmodel door Antoni Gaudi, Spanje 6 Qatar National Convention Centre van Arata Isozaki, 2011, Qatar foto: UNCTAD ESO: materiaal alleen daar waar nodig Inmiddels zijn middelen om constructies te optimaliseren zeer toegankelijk geworden. Moest voorheen zelf iets worden geprogrammeerd, tegenwoordig zijn er eenvoudig plug-ins te downloaden. Een voorbeeld is evolutionary structural optimi - zation, ESO. Dit algoritme plaatst materiaal daar waar het constructief het meest nodig is, en verwijdert het daar waar het onbenut blijft. Het Qatar National Convention Centre uit 2011 van Arata Isozaki is hier een voorbeeld van (foto 6). Echter, optimaal oogt dit voorbeeld niet. Waarom ondersteunen slechts twee opleggingen het dak, terwijl de façade eronder over de gehele breedte wél kan worden ondersteund? De reden blijkt dat de vorm ooit is geoptimaliseerd als vrije perronoverkapping zonder façade. En het dak was bedoeld als landingsbaan voor kleine vliegtuigen. 7 Geoptimaliseerde ligger door middel van ESO, een textielge - vormd betonnen vakwerk van prof. Mark West, en een evolu - tionair bepaalde, textielgevormde ligger8 Funicular floor system, 1:1 prototype voor NEST HiLo foto: Block Research Group, ETH Zürich Zonder de juiste randvoorwaarden, belastingen en rekenschap met de bouwmethoden, is optimalisatie een black box: rommel in, rommel uit. Het resultaat heeft niets te maken met constructieve efficiëntie noch met maakbaarheid. Terwijl het gebruik van ESO in de praktijk nog exotisch is, is de toepassing van genetische algoritmen wel al enorm toegenomen. Het principe volgt dat van de biologische evolutie; een generatie van mogelijkheden wordt getoetst en de eigenschappen van de beste oplossingen worden gekruist en gemuteerd om tot een nieuwe generatie te komen. Hiermee kunnen zowel construc - tieve als bouwtechnische aspecten worden geëvalueerd en zijn de schijnbaar onmaakbare resultaten van ESO wellicht toch te realiseren. Textielmallen kunnen hierbij uitkomst bieden (figuur 7). 7 8 Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016 32 9 P_Wall (door Andrew Kudless) waarbij tex - tielmallen zijn gevuld met gips in plaats van beton, 2009, Verenigde Staten foto: Anna Conti 10 Ontwerp voor kabelnetgevormde brug, ARC Wildlife Crossing bron: Zwarts & Jansma Architects11 Prototype kabelnetgevormde schaal voor NEST HiLo Foto: Block Research Group, ETH Zürich Flexibel gevormde schaaldaken De combinatie textielmallen en schaalconstructies vormt een bijzonder huwelijk. Door een textiel tot een dubbelgekromde vorm op te spannen, ontstaat de mal voor een lichte schil van beton die grote oppervlakten kan overspannen en overdekken. Door in plaats hiervan een kabelnet te gebruiken en de voor - spankrachten van tevoren nauwkeurig te berekenen, kan dit concept worden opgeschaald tot zeer grote overspanningen (figuur 10). Praktijk: NEST HiLo Voor het NEST HiLo project ontwikkelt de Block Research Group een flexibel gevormd schaaldak (foto 11). NEST is een multifunctioneel gebouw van de toekomst van het Zwitserse, federale onderzoeksinstituut Empa, dat bestaat uit uitwisselbare eenheden, zoals HiLo. Elke eenheid wordt onafhankelijk ontwor - pen en is bedoeld om nieuwe bouwtechnologieën te beproeven en te demonstreren. HiLo zelf zal dienstdoen als appartement voor bezoekende wetenschappers van het instituut. Het dak is ontworpen met behulp van een multicriteria gene - tisch algoritme (foto 12). Initiële studies onderzochten de invloed van het aantal en de positie van opleggingen op de draagkracht, maakbaarheid, vrije ruimte onder het dak en potentieel oppervlak om zonne-energie op te wekken. Op deze manier kon gehoor worden gegeven aan ruimtelijke, functio - nele, energetische en constructieve randvoorwaarden en een optimum hierin worden gevonden. Het constructieve ontwerp van dunne schaalconstructies luister nauw, omdat optimalisatie Textielmallen Bij gebruik van textielmallen wordt hout, staal, polystyreen of ander traditioneel bekistingsmateriaal vervangen door een eenvoudig textiel. Het textiel is licht, goedkoop, eenvoudig te vervoeren en op te slaan, en in staat de zeer hoge vloeistofdruk van het gestorte beton te weerstaan. En het textiel maakt unieke vormen mogelijk, vaak gezien als organisch of zelfs sensueel (foto 9) Het gebruik van textiel is onafhankelijk van het type beton of wapening. Er zijn voorbeelden van normaal textiel dat tot 10 m vloeistofdruk van het gestorte beton kan weerstaan. Textielsoorten in de bouw, bijvoorbeeld voor tentconstructies, zijn veelal gecoat polyester of glasvezel. Bij textielmallen is textiel zonder coating niet alleen voordeliger, maar leidt tevens tot hogere kwaliteit van het oppervlak vrij van luchtgaten. Overtollig lucht en water kunnen namelijk eenvoudig ontsnap - pen tijdens het uitharden. Projectpartners NEST HiLo ontwerpfase Block Research Group, ETH Zürich ? constructieve innovatie Architecture and Buildings Systems, ETH Zürich ? innovatie van bouwkundige systemen Supermanoeuvre, Sydney, Australië ? productie- innovatie Zwarts & Jansma Architects, Amsterdam ? constructieve innovatie 9 11 12 Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016 33 12 Evolutionair geoptimaliseerde vormen voor het dak van NEST HiLo foto: Maurice Vinken / Zwarts &Jansma Architects 13 Exterieur van NEST HiLo met kabelnetge - vormd schaaldak, Dübendorf, Zwitserland bron: Doug & Wolf Maakbaar, duurzaam en elegant Ontwikkelingen in digitale ontwerpmiddelen staan toe om extreem efficiënte constructies in beton te ontwerpen, die tege - lijkertijd maakbaar, duurzaam en elegant zijn. Textielmallen zijn hierbij een eenvoudige, betaalbare en effectieve manier om dergelijke constructies te produceren. ? ? LITERATUUR 1 Cui et al., Computational Morphogenesis of 3D Structures by Exten - ded ESO Method, 2003. 2 López D., Veenendaal D., Akbarzadeh M. and Block P. Prototype of an ultra-thin, concrete vaulted floor system, Proceedings of the IASS- SLTE 2014 Symposium, Brasilia, Brazil, 2014. 3 Veenendaal D., Bakker J., Block P., Structural design of the cable-net and fabric formed, ferrocement sandwich shell roof of NEST HiLo Proceedings of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) Symposium, Amsterdam, 2015. gepaard gaat met toenemende gevoeligheid voor knik. Het knikgedrag van schalen maakt het noodzakelijk zowel geometri - sche (derde orde) niet-lineairiteiten en imperfecties als niet-lineair gedrag van het beton inclusief krimp en kruip mee te nemen (Karamba3D en Sofistik). Omdat de huidige Eurocode en Zwitserse SIA code niet voorziet in betonnen schaalconstruc - ties (enkel van staal) is niet alleen in BGT en UGT gerekend, maar ook op basis van aanbevelingen uit 1979 van de Internatio - nal Association of Shell and Spatial Structures. Met bovenstaande niet-lineariteiten moet daarbij een belastingsfactor worden berekend die lager moet zijn dan een bepaalde veiligheidsfactor (variërend tussen 1,75 ? 3,50, onder meer afhankelijk van het derdeordegedrag). Het resultaat voor het NEST HiLo project is een dakconstructie van 150 m2, overspanningen tot 9 m, maar slechts een gemid - delde betondikte van 80 mm, lokaal zelfs maar 30 mm (fig.13). Het dak wordt gewapend met meerdere lagen gaas van staal en/ of glas- of koolstofvezel. Het composiet heet dan ofwel 'ferroce - ment' ofwel 'textile-reinforced concrete' (niet te verwarren met textielgevormd beton). De thermische geleiding en flexibiliteit van de drie materialen zullen bepalend zijn voor de materialen die uiteindelijk worden toegepast. Het beton zelf is ook in ontwikkeling, maar bestaande prototypen zijn uitgevoerd in een vrij viskeuze, haast kleiachtige betonmix, om de steile krommingen van de enkelzijdige, flexibele mal te kunnen vervaardigen. Naast het flexibel gevormde schaaldak wordt in dit project ook de zogenoemde 'funicular floor' toegepast (zie kader 'Funicular floor system'). Tektoniek Dit artikel is gebaseerd op een artikel van Tektoniek, kennisnetwerk architectuur in beton. Dit artikel is te raadplegen op www.tektoniek.nl . 13 Ontwerpen met textielgevormde constructies 4 2016